差動保護在SABIC PCQ-2項目中的應用

母 丹

中國成達工程有限公司 成都 610041

差動保護在SABIC PCQ-2項目中的應用

母 丹*

中國成達工程有限公司 成都 610041

差動保護是一種非常可靠的保護裝置，廣泛應用于母線保護、線路保護、變壓器保護等方面。本文基于差動裝置在SABIC PCQ-2項目中的實際應用，對幾款差動保護裝置的工作原理、基本設置、特點進行闡述。

差動保護 比率差動保護 差動電流 制動電流 勵磁涌流

差動保護裝置工作原理簡單，反應迅速，保護范圍精準，可靠性高等優(yōu)點，被廣泛應用于電力系統(tǒng)中。主要應用于母線保護、線路保護、變壓器保護等方面。

差動保護的工作原理來自電學基本定律——基爾霍夫電流定律(KCL)的擴展。基爾霍夫電流定律(KCL)：所有進入某節(jié)點的電流的總和等于所有離開這個節(jié)點的電流總和。基爾霍夫定律的節(jié)點可擴展為任意不包含電源的假設封閉面。圖1為基爾霍夫電流定律圖解。

圖1 基爾霍夫電流定律圖解

圖1中，矢量I1、I2、I3、I4、I5之和為0，這就是差動保護裝置的基本原理。

現(xiàn)有的保護裝置以微機綜合保護裝置為主，主要特點：集中多種保護功能，可按用戶要求定制；經(jīng)過數(shù)字化采樣，將模擬信號轉化為數(shù)字信號，在保護裝置內進行處理，可將模擬信號分解為數(shù)字化的電流、電壓、相位、頻率、有功功率、無功功率、正序電流、負序電流和零序電流等數(shù)據(jù)進行處理；根據(jù)用戶需求對輸入數(shù)據(jù)解析后進行邏輯編程，輸出數(shù)字信號，實現(xiàn)保護動作、閉鎖或狀態(tài)輸出；高度集成化來實現(xiàn)保護、測量、監(jiān)控、通訊、錄波、事件記錄功能；微機保護裝置可選配多種通訊功能強大的接口和協(xié)議，便于和后臺SCADA或DCS通訊，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作。用戶需要根據(jù)自身需求選擇適用的微機保護裝置。

1 母線保護

本項目34.5kV裝置母線保護選用功能相對簡單的西門子7VH60系列保護裝置，在母線每相的進線、出線和母聯(lián)處設置相同CT，將各CT同名端連接并聯(lián)輸入保護裝置，保護接線見圖2。

圖2 7VH6000構成的母線差動保護接線

正常情況下A母線上流入或流出CT0～CT4這5個監(jiān)控點電流矢量和為0，在7VH6000裝置上的輸入也為0。當母線上任意一點出線單相接地或相間短路故障時CT0～CT4這5個監(jiān)控點電流矢量和不為0，7VH6000迅速輸出信號跳開進線或母聯(lián)，保護母線。由于7VH6000沒有電流變比換算，各出口選用同型號的CT，接線上將同名端接在一起實現(xiàn)并聯(lián)。此保護裝置相對功能簡單，造價低。

2 線路保護

本項目中34.5kV線路采用差動保護作為主保護。保護采用西門子7SD6101保護裝置，差動保護裝置上級變電所出線和下級變電所進線各配置一臺，通過選配光纖接口通訊，采用分相差動保護，即對A、B、C三相進行獨立的監(jiān)控，分別比對電纜各相兩端的電流數(shù)據(jù)判斷電纜是否出現(xiàn)故障。具體7SD6101接線見圖3。

圖3 7SD6101線路差動保護單臺接線

線路保護通常傳輸距離較遠，需要在線路兩側各裝設一臺差動保護裝置，兩臺差動保護裝置之間通過通訊方式傳輸數(shù)據(jù)，通常采用光纖通訊方式。此保護裝置專用于兩端線路差動保護。具體的線路差動保護原理見圖4。

圖4 線路差動保護原理

圖4中，由CT1，CT2監(jiān)控的虛線框封閉曲面內的線路A相電流送入保護裝置，通常情況下，矢量IA1、IA2之和為0。

當K1點出現(xiàn)單相接地故障時，虛線框封閉曲面內矢量IA1、IA2之和為-IK1，此時-IK1不為0，差動保護裝置動作。若K2點出線單相接地故障則不影響虛線框封閉曲面內的平衡，此時差動保護不動作，由其他保護動作，實現(xiàn)了保護動作的選擇性。

3 變壓器保護

本項目主變壓器采用7UT6121保護裝置作為主保護，該保護裝置可同時搜集變壓器進線和出線的電流數(shù)據(jù)，實施保護。本項目變壓器為34.5/4.16kV±8x1.25%的25MVA Dyn1變壓器，繞組采用△Y繞組。7UT6121構成的變壓器差動保護具體連接見圖5。

高壓側△形繞組，有3個CT獲得電流數(shù)據(jù)。低壓側Y形繞組中性點通過接地電阻器(NGR)接地，需要4個CT采集三相和中心點電流數(shù)據(jù)。

圖5 7UT6121構成的變壓器差動保護

此保護裝置功能相對齊全，適用于變壓器、發(fā)電機、電動機、單母線以及短引線保護。

4 差動保護裝置算法和設置

不同廠家的不同產品差動保護算法各有不同，針對不同保護對象的不同需求，各種保護裝置設置的算法也有區(qū)別。總的來說差動保護原理上大同小異，在此以功能比較全面的7UT6121為例介紹差動保護裝置的內部算法。

差動保護算法引入兩個量：差動電流(Idiff)和制動電流(Istab)。差動電流(Idiff)定義為各分支電流的矢量和的絕對值；制動電流(Istab)定義為各分支電流的代數(shù)和。

從作用上看，差動電流作為產生保護動作的參數(shù)；而制動電流為抑制保護動作，防止系統(tǒng)誤動作的參數(shù)。差動電流的數(shù)值以及差動電流和制動電流的比值決定差動保護是否動作。

下面以兩CT和四CT構成的差動保護裝置為例分析差動保護裝置的算法，裝置原理見圖6和圖7。

圖6 兩CT組成的保護裝置原理

圖7 四CT組成的保護裝置原理

圖6為兩CT構成的差動保護裝置，其中，

差動電流：

制動電流：

圖7為四CT構成的差動保護裝置，其中，

差動電流：

制動電流：

以Idiff/INobj為縱軸，以Istab/INobj為橫軸的坐標系中，差動保護被劃作3個區(qū)：差動速斷動作區(qū)域、比率差動動作區(qū)域、制動區(qū)域。差動保護特性曲線見圖8。

圖8 差動保護特性曲線

差動電流：

制動電流：

Idiff/Istab=0

Idiff/Istab=1

在圖8中為45°點劃線，保護裝置在越過差動電流閾值(特性曲線中a段)后迅速動作。

圖8中有a,b,c,d共4段曲線把坐標劃為三個區(qū)域：差動速斷動作區(qū)域、比率差動動作區(qū)域、制動區(qū)域。

a曲線是差動電流閾值，主要體現(xiàn)保護裝置的靈敏度，用于抑制各CT的測量誤差和系統(tǒng)誤差造成的誤動作。

b曲線是電流比率差動曲線。

c曲線是在可能導致CT飽和的大電流情況下，對保護裝置動作起抑制作用的曲線。

d曲線是差動速斷動作電流，設定當差流達二次側額定電流一定倍數(shù)時保護裝置立即動作。

7UT6121保護裝置中差動保護相關設置見表1。

表1 7UT6121中差動保護參數(shù)相關設置

5 變壓器保護防勵磁涌流干擾

差動保護作為變壓器保護裝置時，在變壓器啟動瞬間可能因為勵磁涌流的干擾誤動作跳閘。

勵磁涌流是電力變壓器在空載合閘時變壓器線圈上產生的沖擊電流，沖擊電流可達到額定電流的幾倍甚至十幾倍，且電流波形畸變嚴重。

這樣的嚴重畸變沖擊電流類似內部故障電流，極有可能導致差動保護裝置誤動作。在每次變壓器啟動階段必須防止這樣的誤動作，確保變壓器能正常投用。

本項目中變壓器保護采用的7UT6121保護裝置有針對變壓器保護的設置，保護裝置能夠對電流進行波形分析，在勵磁涌流的極短時間內閉鎖差動保護，不允許其動作，確保變壓器正常啟動。

變壓器空載合閘的勵磁涌流區(qū)別于變壓器內部短路故障電流的特點：

(1)勵磁涌流包含有大量的非周期分量。

(2)勵磁涌流包含大量的高次諧波分量，其中以二次諧波分量為主。

(3)勵磁涌流波形之間存在間斷角。

7UT6121保護裝置的電流諧波分析是利用勵磁涌流存在大量高次諧波分量的特點區(qū)分勵磁涌流和變壓器內部短路電流的。保護裝置可以監(jiān)測電流中高次諧波的含量，當高次諧波含量高于一定值時判定為勵磁涌流，保護裝置將閉鎖差動保護跳閘，避免誤動作。

7UT6121保護裝置中電流諧波形分析設置見表2。

表2 7UT6121中電流波形分析相關設置

通常在變壓器差動保護中，保護裝置默認為二次諧波含量分析，也可根據(jù)需要開啟三次或五次諧波含量分析。二次諧波含量分析界線為10%～80%可調，通常默認為15%，用戶可根據(jù)定制計算確定或根據(jù)實際情況修改。

6 結語

差動保護動作迅速，可靠性高，靈敏度高，保護范圍精準，主要應用于電力系統(tǒng)中重要線路、大容量發(fā)電機組、大型電動機、高壓配電柜柜內母線的保護。大幅降低了設備的損壞幾率，最大限度的減少了設備損壞帶來的經(jīng)濟損失。

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2016-8-31)

*母 丹：工程師。2008年畢業(yè)于北京交通大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)獲碩士學位。從事電氣設計工作。聯(lián)系電話：18048513725， E-mail: dannel1981@163.com。